过程控制系统综述

过程控制工程1过程控制系统综述1.1过程控制系统的基本概念通过采用检测、控制仪表、控制装置等自动化技术工具，对生产过程进行自动检测、监督和控制，以达到实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境等目的。

生产过程自动化，一般是指石油，化工，冶金，炼焦、造纸、建材、陶瓷以及热力发电等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制。电力拖动及电机运转等过程的自动控制一般不包括在内。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。过程控制系统可以分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控制系统两大类。EK电源开关进料出料液位控制闭环控制开环控制炉温控制阀举例开环控制与反馈控制的比较开环优点:结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。闭环优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高。缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。1.1.1过程控制系统的组成一.组成与术语组成:1.测量元件2.比较元件3.控制元件4.执行元件5.被控对象术语:参考输入主反馈偏差控制量扰动输出控制器被控对象测量变送执行器ryeuvz+d1.1.2过程控制系统的类别定值控制系统

参考输入不变化，控制的目的是克服扰动。随动控制系统

参考输入随时间变化，控制的目的是使输出跟随参考输入的变化。程序控制系统

参考输入按事先给定的规律变化。1.1.3过程控制系统的特点(一)被控对象的多样性：工业生产各不相同，生产过程本身大多比较复杂，生产规模也可能差异很大，这就使对被控对象的认识带来困难，不同生产过程要求控制的参数各异，且被控参数一般不止一个，这些参数的变化规律不同，引起参数变化的因素也不止一个，并且往往互相影响，要正确描绘这样复杂多样的对象特性还不完全可能，至今也只能对简单的对象特性有明确的认识，对那些复杂多样的对象特性，还只能采用简化的方法来近似处理。虽然理论上有适应不同情况的控制方法，由于对象特性辨识的困难，要设计出适应不同对象的控制系统至今仍非易事。1.1.3过程控制系统的特点(二)对象存在滞后由于热工生产过程大多在比较庞大的设备内进行，对象的储存能力大，惯性也较大，内部介质的流动与热量转移都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。因此当流入或流出对象的物质或能量发生变化时，由于存在容量一惯性和阻力，被控参数不可能立即反映出来，滞后的大小决定于生产设备的结构与规模，并同研究它的流入量与流出量的特性有关。显然，生产设备的规模愈大，物质传递的距离愈长，热量传递的阻力愈大，造成的滞后就愈大。一般说来，热工过程大都是具有较大滞后的对象，对自动控制十分不利。1.1.3过程控制系统的特点

(三)对象特性非线性对象特性往往是随负荷而变的，即当负荷不伺时，其动态特性有明显的差别。如果只以较理想的线性对象的动态特性作为控制系统的设计依据，难以达到控制目的。1.1.3过程控制系统的特点(四)控制系统比较复杂

由于生产安全上的考虑，生产设备的设计制造都力求使各种参数稳定，不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。热工对象往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化后，对象本身能使被控量遂渐稳定下来，这就具有惯性环节的特性。也有无自动趋向平衡的能力的对象，被控量会一直变化而不能稳定下来．这种对象就具有积分特性。1.1.3过程控制系统的特点由于对象的特性不同，其输入与输出量可能不止一个，控制系统的设计在于适应这些不同的特点，以确定控制方案和控制器的设计或选型，以及控制器特性参数的计算与设定，这些都要以对象的特性为依据，而对象的特性正如上述那样复杂且难于充分认识，要完全通过理论计算进行系统设计与整定至今仍不可能．目前已设计出各种各样的控制系统如简单的位式控制系统、单回路及多回路控制系统。以及前馈控制；计算机控制系统等，都是通过必要的理论计算，采用现场调整的方法，才能达到过程控制的目的。1.1.4过程控制系统的品质指标c-衰减震荡过程d-非周期过程a-发散震荡过程b-等幅震荡过程几种不同的过渡过程递减比：动态偏差：B1调整时间：TC

静态偏差C积分性能指标：1.2单回路控制系统调节器被控对象检测元件、变送器－reuqyzf调节阀r：给定值e：偏差u：控制量q：操纵量

y：输出f：扰动z：测量值1.2.1单回路控制系统结构1.2.2单回路控制系统特点结构简单、投资少、易于整定和投运；可满足一般生产过程的工艺要求；

占控制回路的85%以上，应用广泛；适用于被控过程的纯滞后与惯性不大、负荷与干扰变化比较平稳或者工艺要求不太高的场合。1.2.3被控参数选择选择起决定性作用、并且可以测量的直接参数；可以选用间接参数作为被控参数，但它必须与直接参数有单值一一对应关系；

对控制作用的反应具有足够的灵敏度；应考虑到工艺生产的合理性；仪表的供应情况。

1.2.4被控参数选择的一般原则代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作状态的重要变量；

应是工艺生产过程中经常变化，因而需要频繁加以控制的变量；

应尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标；应是能测量的，并具有较大灵敏度的变量；

应是独立可控的；应考虑工艺的合理性与经济性。1.2.5控制参数选择应是工艺上允许加以控制的可控变量；

应是对被控参数影响的诸因素中比较灵敏的变量，即：控制通道的放大系数要大一些；时间常数要小一些；纯滞后时间要尽量小等。应考虑工艺的合理性和生产的经济性。1.2.6过程静态特性对控制品质的影响指过程的静态放大系数对控制质量的影响。扰动通道的静态放大系数Kf大对控制不利；控制通道的放大系数K0愈大，表示控制作用愈灵敏；但K0太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统的稳定性下降；选择控制通道的K0适当大一些，可由Kc来补偿。

1.2.7扰动通道对动态特性的影响扰动通道的容积愈多、愈大，则扰动对被控参数的影响愈小，控制质量愈好；

扰动通道的纯滞后不影响系统的控制质量；应使扰动作用点位置远离被控参数。1.2.8选择控制参数的一般原则选择过程控制通道的放大系数Ko要大一些；时间常数To要小一些；纯滞后时间τo愈小愈好；过程扰动通道的放大系数Kf应尽可能小；时间常数Tf要大；引入系统的位置要远离被控参数；应尽量设法把广义过程的几个时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大得多；注意工艺操作的合理性、经济性。1.2.9控制系统投运(1)投运：在控制系统方案设计、仪表安装调校就绪后，或者经过停车检修之后，再将系统投入生产使用的过程。操作人员在系统投运之前，必须对构成系统的各种仪器仪表、联接管线、供电、供气情况等进行全面检查和准备。1.2.9控制系统投运(2)控制系统投运的步骤：投运步骤：检测系统投入运行；调节阀手动遥控；调节器投运。待回路工况稳定后，可投入自动：把调节器PID参数值设置合适位置，当其偏差接近零时，即将调节器由手动切换到自动；若还不够理想，则继续整定调节器参数，直到满意为止。1.3复杂控制系统具有两个以上的检测元件和变送器，或调节器，或执行器的控制系统1.3.1串级控制系统d1：一次扰动d2：二次扰动主调节器副调节器副对象主对象ry副变送器主变送器－－d1d2副回路主回路阀1.3.1.1串级控制系统的结构串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到了广泛地应用。1.3.1.2串级控制系统的名词术语主被控参数——起主导作用的被控参数。

副被控参数——为稳定主参数而引入的中间辅助参数。

主被控过程——由主被控参数表征其特性的生产过程。其输入量为副被控参数，输出量为主被控参数。

副被控过程——由副被控参数作为输出的生产过程，其输入量为控制参数。1.3.1.2串级控制系统的名词术语主调节器——按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。副调节器——按副被控参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出控制调节阀动作。副回路——由副调节器、副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路。一

次

扰动——不包括在副回路内的扰动。

二

次

扰动——包括在副回路内的扰动。

1.3.1.3串级控制系统主要特点1.改善了被控过程的动态特性；

2.提高了系统的工作频率；

3.具有较强的抗扰动能力；

4.具有一定的自适应能力。1.3.1.4串级控制系统的应用场合用于克服被控过程较大的容量滞后；

用于克服被控过程的纯滞后；

用于抑制变化剧烈而且幅度大的扰动；

用于克服被控过程的非线性。1.3.1.5串级控制系统的设计原则副回路应包括尽可能多的扰动；

应使主、副过程的时间常数适当匹配。原则上，主副过程时间常数之比应在3到10范围内；

副回路设计应考虑工艺上的合理性；

副回路设计应考虑经济性原则。1.3.1.6串级主和副调节器的选择主调节器一般选PI或PID控制规律；副调节器一般只要选P控制规律即可：若采用积分规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。若引入微分规律会使调节阀动作过大，对控制不利。1.3.1.7串级系统的PID参数整定按照单回路控制系统PID参数整定原则整定好PID2；为提高系统的稳定性，内回路以无明显超调为宜。以内回路的设定值ysp2作为操作变量u(k)，以外回路输出y1(k)为被控变量，进行响应试验。由此获得广义对象的特征参数Kp与Ts。再按单回路控制系统PID参数整定原则确定PID1的参数。1.3.2前馈控制系统调节阀前馈调节器被控对象变送器dyr-1.3.2.1前馈控制结构Wm(s):前馈控制器；Wo(s):过程控制通道传递函数；Wf(s):过程扰动通道传递函数。1.3.2.2前馈与反馈控制特点比较反馈控制的特点：基于偏差来消除偏差；

“不及时”的控制；存在稳定性问题；对各种扰动均有校正作用；

控制规律通常是P、PI、PD或PID等典型规律。1.3.2.3前馈与反馈控制特点比较前馈控制的特点：基于扰动来消除扰动对被控量的影响；

动作“及时”；只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定；具有指定性补偿的局限性；

控制规律取决于被控对象的特性。1.3.2.4前馈控制器设计原理不变性原理是实现前馈控制的理论基础。

“不变性”是指控制系统的被控量与扰动量完全无关，或在一定准确度下无关。1.3.2.5前馈模型由不变性原理决定的动态前馈控制器，是由被过程扰动通道与控制通道特性之比决定的，即：因实现了完全补偿，达到了被控量不受扰动影响的控制效果。前馈模型的结构有时比较复杂，甚至难以实现。1.3.2.6前馈控制系统的几种结构形式静态前馈控制系统：

控制器采用比例控制，是前馈模型中最简单的形式。

动态前馈控制系统：

动态前馈的实现基于不变性原理；动态前馈控制方案虽能显著地提高系统的控制品质，但结构往往比较复杂；需要专门的控制装置，系统运行、整定也比较复杂；只有当工艺上对控制精度要求很高，其它控制方案难以满足、且存在一个“可测不可控”的主要扰动时，才考虑使用动态前馈方案。

1.3.2.7前馈控制的局限性前馈控制属于开环控制方式；完全补偿难以满足，因为：要准确掌握过程扰动通道特性Wf（s）及控制通道特性Wo（s）是不容易的；

即使前馈模型Wm（s）能准确求出，有时工程上也难以实现；对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个前馈控制器，这将会使控制系统庞大而复杂。1.3.2.8前馈反馈控制系统（复合控制系统）调节阀反馈调节器被控对象变送器dyr前馈调节器变送器－＋＋前馈粗调，反馈细调1.3.2.8前馈反馈控制系统（复合控制系统）将前馈和反馈结合起来，既发挥了前馈作用及时克服主要扰动对被控量影响的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动影响的长处；降低了系统对前馈补偿器的要求，使其在工程上更易于实现。1.3.2.9前馈串级控制系统主调节器副调节器副对象主对象ry副变送器主变送器－－d1d2主回路阀变送器前馈调节器＋＋1.3.2.10前馈控制的设计原则实现前馈控制的必要条件是扰动量的“可测及不可控性”：“可测”：指扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号。

“不可控”：指这些扰动量难以或不允许通过专门的控制回路予以控制，如生产中的负荷。

扰动量变化频繁且幅值较大；通常选用静态前馈-反馈控制方案即可得到满意的控制效果。1.3.3比值控制系统定义：两个或多个参数自动维持一定比值关系的过程控制系统。在控制两种物料的比值系统中，起主导作用而又不可控的物料流量称为主动量q1，跟随主动量而变化的物料流量称为从动量q2，q2与q1保持一定的比值，即：1.3.3.1单闭环比值控制从动量q2是一个闭环随动控制系统；主动量q1开环。1.3.3.2双闭环比值控制由一个定值控制的主动量回路和一个跟随主动量变化的从动量控制回路组成。1.3.3.3变比值控制要求两种物料流量的比值，随第三个参数的需要而变化。变比值控制系统是一个以第三参数或称主参数（质量指标）、以两个流量比为副参数的串级控制系统。

在变比值控制系统中，流量比值只是一种控制手段，不是最终目的，而第三参数往往是产品质量指标。1.3.3.4变比值控制系统设计举例1.3.3.4变比值控制系统设计举例1.3.3.4变比值控制系统设计举例系统工作时，按当前给矿量比例控制给水。在给水管路上安装电动阀和流量计，构成给水闭环控制。当浓度发生变化时，浓度控制器的输出将修改比例系数K，从而修改了给水闭环的给定值，给水闭环及时调节给水量，保证浓度相对稳定。1.4计算机控制系统(1)

典型的连续控制系统：按偏差e进行控制，目的是减少或消除偏差。调节器执行器被控对象ry检测仪表－＋euz1.4计算机控制系统(2)计算机控制系统数字调节器D/A转换器保持器执行器被控对象检测仪表采样保持器A/D转换器ry+－1.4.1计算机控制系统的组成(1)工业对象检测仪表模拟量输入通道接口系统总线主机接口接口人－机联系设备运行操作台执行机构模拟量输出通道接口接口接口开关量输入通道开关量输出通道1.4.1计算机控制系统的组成(2)软件部分计算机控制系统硬件部分控制计算机主机、外设、系统总线生产过程输入输出通道人—机联系设备、通信设备

现场仪表（测量传感器、执行机构等）

操作系统汇编或高级语言、过程控制语言通信网络软件、诊断程序等

系统软件

应用软件

过程输入/输出程序、过程控制程序人机接口程序、打印显示程序各种公共子程序历史数据库、实时数据库1.4.2计算机控制系统的分类(1)

数据处理系统操作指导控制系统直接数字控制系统（DDC）计算机监督控制系统（SCC）集散控制系统（DCS）现场总线控制系统(FCS)计算机集成控制系统（CIMS/CIPS）1.4.2.1数据处理系统数

字计算机CRT打印机报警过程输入通道

检测仪表检测仪表被控生产过程……1.4.2.2操作指导控制系统……数

字计算机CRT打印机报警过程输入通道检测仪表检测仪表被控生产过程执行机构

人……1.4.2.3直接数字控制系统（DDC）直接数字控制(DDC)计算机CRT打印机报警操作台过程输入通道

测量变送测量变送被控生产过程过程输出通道执行机构执行机构…………(DirectDigitalControl)1.4.2.4计算机监督控制系统（SCC）监督控制计算机(SCC)CRT打印机报警DDC计算机或调节器输入通道输出通道被控生产过程操作台输入通道(SupervisoryComputerControl)1.4.2.5集散控制系统(DCS)

监督控制计算机CRT操作站基本调节器基本调节器

被控对象被控对象…………高速数据通道分布式控制系统(DistributedControlSystem)集中操作，分散控制1.4.2.6现场总线控制系统(FCS)工作站—现场智能仪表(FieldbusControlSystem)1.4.2.7计算机集成控制系统（CIMS/CIPS）

经营决策企业管理生产调度过程优化过程控制第五层：企业决策，生产规划第四层：供销,财务,计划,管理等第三层：生产调度，系统优化第二层：先进控制，过程优化第一层：单元自动化,简单控制生产过程

流程CIMS的递阶控制示意图1.4.2.8根据计算机的硬件不同分类基于单片机的简单系统基于IPC基于PLC基于各种类型DCS基于现场总线仪表的FCS1.4.3计算机控制系统的特点计算机控制系统的主要优点组成方式灵活能实现复杂的控制规律控制规律灵活、多样，改动方便为实现企业综合自动化打下了良好的基础1.4.3.1实现最优控制计算机控制系统的灵魂是控制算法，它可方便地通过编制相应的程序来实现，计算机控制不仅能实现模拟调节系统中经常采用的PID控制算法，而且还可方便地通过程序在线调整其中的系数。除此之外，在复杂的环境下，被控对象的数学模型不清或参数变化时，可在各种先进的控制算法中选择最合适的方案进行控制；诸如自适应控制、神经网络控制和模糊控制等等。这些都是模拟量调节器无法胜任的。1.4.3.2实现集中监视和操作一个模拟量调节器只能控制一个被控量，采用计算机控制时．由于它具有分时控制功能，可以控制几个或成十上百个被控制量，把生产过程的各个被控制对象都管理起来，组成一个统一的控制系统，便于集中操作管理。集中操作，分散控制1.4.3.3控制灵活它还可通过人机对话方式，方便地修改控制参数。由于计算机具备记忆功能、逻辑功能和判断功能，通过编程很容易实现。这也是模拟系统很难实现的。1.4.3.4控制精度高计算机控制属于数字控制，不受温度和电源电压彼动的影响，增加A/D和D/A的位数便能提高相应的精度。1.4.3.5信号特点（1）计算机控制系统的信号形式连续模拟信号:时间与幅值上均连续，如y(t)、u(t)离散模拟信号:时间是离散的，幅值上连续，如y*(t)、u*(t)连续数字信号:时间是连续的，幅值上已是数字量离散数字信号:时间离散的，幅值为数字量，如y(kT)、u(kT)采样器

A/D计算机D/A保持器y(t)y*(t)

y(kT)

u(kT)

u*(kT)

u(t)1.4.3.5信号特点（2）计算机控制系统的采样过程y(t)t采样器y(t)y*(t)y*(t)2T4Ttτ原始过程信号信号通过采样器采样后的信号过程信号采样过程示意图1.4.3.5信号特点（3）